少子壽命對4H-SiCn-IGBT特性的影響研究.pdf

1、碳化硅（SiC）是發(fā)展高功率、高溫和高頻器件極具吸引力的寬禁帶半導體材料，近年來引起了越來越多的關注。SiC基絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為高壓功率開關器件的典型代表，具有導通電阻低、柵驅(qū)動簡單、安全工作區(qū)寬和工作頻率高等特點，在智能電網(wǎng)、電動汽車、光伏和風能綠色能源等新型領域具有廣闊的發(fā)展前景。少子壽命是衡量半導體材料質(zhì)量的重要參數(shù)之一，對SiC IGBT的優(yōu)化設計起著關鍵的作用。本文重點圍繞少子壽命與SiC IGBT通態(tài)和開關性能

2、的權衡問題展開研究，取得的主要成果如下：
　　1.4H-SiC n-IGBT通態(tài)特性、正向阻斷特性和關斷特性的模擬研究。在分析4H-SiCn-IGBT結(jié)構(gòu)的工作原理和輸出特性的基礎上，采用Sentaurus TCAD軟件建立了帶有緩沖層的4H-SiC n-IGBT非對稱結(jié)構(gòu)模型，設置漂移區(qū)和緩沖層的少子壽命均為2μs，模擬結(jié)果顯示，正向阻斷電壓高達11.7kV，集電極電流密度300A/cm2時，對應的導通壓降為5.36V。器件的關

3、斷時間大約為130ns，關斷損耗約為4.62mJ/cm2。
　　2.不同緩沖層厚度的4H-SiC n-IGBT結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。本文基于緩沖層的摻雜濃度和厚度對SiCIGBT設計的重要性，建立了不同緩沖層厚度的4H-SiC n-IGBT器件結(jié)構(gòu)，分別模擬了其通態(tài)特性和關斷特性，通過正向?qū)▔航岛完P斷損耗的折衷選擇，得出緩沖層厚度為10μm時，正向?qū)P斷損耗相對于厚度為2μm時降低了約75％。
　　3.漂移區(qū)和緩沖層壽命對4H

4、-SiC n-IGBT性能影響的模擬研究。基于SiC IGBT對材料少子壽命的要求，通過局部區(qū)域控制漂移區(qū)和緩沖層的少子壽命以優(yōu)化器件的功耗。仿真結(jié)果表明，漂移區(qū)壽命的增加導致正向?qū)▔航到档停菍φ驌舸╇妷汉完P斷拖尾電流基本沒有影響。緩沖層壽命的減小，使得器件的關斷拖尾電流減小，但是卻導致正向壓降增加。
　　4.4H-SiC n-IGBT通態(tài)和開關性能的權衡。模擬計算了不同漂移區(qū)壽命和緩沖層壽命所對應的正向?qū)▔航岛完P斷損耗

5、，得出了不同少子壽命的4H-SiC n-IGBT通態(tài)和開關性能的折衷曲線，分析表明，當漂移區(qū)壽命為8μs，緩沖層少子壽命為0.08~0.1μs，器件的正向?qū)▔簽?.13V，關斷損耗降低到0.8~1.1mJ/cm2，相比優(yōu)化之前減小了約3.5~3.8mJ/cm2，實現(xiàn)了SiC IGBT通態(tài)和開關性能的權衡。
　　本文的模擬結(jié)果表明，漂移區(qū)和緩沖層少子壽命的局部控制，能夠改善器件的通態(tài)性能與開關性能之間的權衡問題，為未來SiC IG